新一代綜合自動測試系統(tǒng)在船用雷達測試保障中的應(yīng)用研究

陳靖宇，劉 收

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

大型艦船需要保障的武器裝備數(shù)量大、種類多、覆蓋面廣，對測試與診斷系統(tǒng)從體系結(jié)構(gòu)、形式、功能等方面提出了更嚴(yán)格的技術(shù)要求；新一代艦載系統(tǒng)的出現(xiàn)與艦載電子裝備信息化程度的大幅提升，對一直以來以測試系統(tǒng)為保障裝備核心的設(shè)計理念提出了很高的適應(yīng)性要求；縮短艦上裝備的戰(zhàn)術(shù)準(zhǔn)備時間，要求測試保障裝備的設(shè)計在滿足復(fù)雜測試需求的同時，須兼顧快速部署、高效反應(yīng)、快速測試診斷和降低使用人員的操作難度。這些都決定了大型艦船裝備對跨平臺通用測試保障需求的迫切性。

美國等發(fā)達國家，針對艦船裝備的跨平臺通用測試保障問題，基于新一代自動測試關(guān)鍵技術(shù)，開展了兩期敏捷快速全球作戰(zhàn)保障系統(tǒng)(agile rapid global combat support，ARGCS)演示驗證計劃，第一期為關(guān)鍵技術(shù)綜合集成演示驗證，綜合集成了公共測試接口、合成儀器、自動測試標(biāo)記語言(automatic test markup language，ATML)軟件平臺和智能測試程序集(test program set，TPS)等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了跨平臺通用測試和面向信號測試，關(guān)鍵技術(shù)成熟度得以提升，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化信息化程度得到提高；第二期為面向聯(lián)合作戰(zhàn)保障的綜合測試系統(tǒng)應(yīng)用演示驗證，主要是面向網(wǎng)絡(luò)中心、聯(lián)合作戰(zhàn)保障、信息化和精確保障。而我國在適用于艦船裝備跨武器平臺的綜合測試診斷系統(tǒng)構(gòu)建尚不完善，在全壽命周期縱向測試信息集成和不同裝備橫向跨平臺測試能力方面還存在較大差距[1]。

因此，針對艦船裝備通用測試保障需求，以艦載電子信息裝備等為典型應(yīng)用對象，構(gòu)建新一代開放式綜合自動測試技術(shù)體系架構(gòu)，突破并綜合集成和有效應(yīng)用相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)成果，研制新一代綜合自動測試系統(tǒng)設(shè)備體系，并針對某艦載裝備開展適應(yīng)性和適用性等應(yīng)用技術(shù)研究具有重要意義。

1 艦船裝備綜合測試保障需求

大型艦船裝備的艦基維修診斷工程將不僅僅局限于基層級維護，艦上裝備的維修深度應(yīng)達到中繼級修理的能力。一方面，要通過基層級維修實現(xiàn)艦載機的快速再次出動，另一方面，要運用較完備的測試設(shè)備ATE和技術(shù)人員進行組件級(LRU或LRM)維修，確保更換備件的完好性，以滿足戰(zhàn)時與平時維護的需求。因此，為滿足艦船裝備縱向跨級別的測試需求，實現(xiàn)各階段測試設(shè)備和軟件的相互通用和數(shù)據(jù)共享，是一項重要需求[2]。

艦上裝備多功能、多專業(yè)的特點，要求測試系統(tǒng)能夠覆蓋這些裝備的需求，并且具備跨平臺測試的橫向通用化能力。艦船裝備的測試系統(tǒng)應(yīng)在縱向測試策略的基礎(chǔ)上，滿足橫向綜合測試的需求[3]。

圖2 基于關(guān)鍵要素視圖的自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

嵌入式測試技術(shù)在艦載裝備的廣泛應(yīng)用，要求測試系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的模式而向與裝備機內(nèi)測試(built-in test, BIT)融合靠攏。以新型船用雷達為典型代表的艦載裝備，基于PHM技術(shù)的自主保障系統(tǒng)逐步開始應(yīng)用。因此，如何有效基于裝備BIT、各類傳感器和測試數(shù)據(jù)開展面向PHM系統(tǒng)信息融合的增強型原位監(jiān)測評估成為新的問題[4]。

2 新一代綜合自動測試系統(tǒng)設(shè)備體系構(gòu)建

2.1 新一代綜合自動測試系統(tǒng)總體架構(gòu)

新一代綜合自動測試系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)平臺主要由支撐跨平臺互操作的公共測試接口(common test interface, CTI)、支撐跨平臺測試的綜合測試硬件平臺和基于ATML信息框架的軟件平臺組成，系統(tǒng)平臺配合智能TPS可完成對不同被測對象的綜合測試。

新一代綜合自動測試系統(tǒng)平臺可通過裁減、重構(gòu)形成3種不同類型的測試設(shè)備(PMA、PATS和IATS)，其上運行不同配置的軟件平臺，配合運行在軟件平臺上的具備不同測試診斷能力的TPS及相關(guān)輔助設(shè)備可實現(xiàn)不同武器裝備三級或兩級測試診斷[4]。

基于ATML測試信息框架的軟件平臺，一方面負(fù)責(zé)整個平臺自動化測試任務(wù)的調(diào)度控制及測試策略的實施，一方面構(gòu)建了整個平臺信息交互的框架，定義和實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的通用信息接口。通過這兩方面的作用，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)在軟件應(yīng)用層、支持層和信息接口層的通用性?？缙脚_可移植的智能TPS，能夠在各種武器平臺的測試設(shè)備之間移植、復(fù)用的TPS。

2.2 基于關(guān)鍵要素構(gòu)成視圖的新一代綜合自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

如圖2所示，新一代綜合自動測試標(biāo)準(zhǔn)化體系共有25個左右的關(guān)鍵元素及其支撐標(biāo)準(zhǔn)組成。自動測試系統(tǒng)體系架構(gòu)按照服務(wù)對象劃分，可分為TPS層、測試系統(tǒng)ATE層和UUT信息層等3層。各層之間的信息交互可分為物理信息和描述信息，因此在測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中，核心是以通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)公共測試接口來規(guī)范信號的物理連接層；以統(tǒng)一的測試信息描述框架約束測試過程中所有的信息語言交互[4]。

針對新一代綜合自動測試標(biāo)準(zhǔn)化體系，其基本特征是采用開放的體系結(jié)構(gòu)、開放的標(biāo)準(zhǔn)和新一代測試技術(shù)。其實質(zhì)首先是改善武器系統(tǒng)整個生命周期內(nèi)信息流復(fù)用；其次是較大地減少TPS的換宿主機工程成本；加強測試儀器的互操作性和互換性，而又不負(fù)擔(dān)先前的ATE投資。

2.3 基于設(shè)備體系視圖的新一代綜合自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

物化的新一代綜合自動測試系統(tǒng)設(shè)備體系如圖3所示，不同類型的測試設(shè)備可以單獨使用，也可以多個設(shè)備組網(wǎng)形成分布式綜合自動測試系統(tǒng)，滿足分布式網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用場景的測試需求。如便攜式維修輔助設(shè)備PMA可獨立使用，亦可與PATS或IATS之間通過TCP/IP協(xié)議互連互通或直接作為兩級設(shè)備的主控計算機進行互操作。PATS測試設(shè)備由組合式應(yīng)用和分體式應(yīng)用兩種應(yīng)用方式。IATS測試設(shè)備資源配備較多功能較為強大，主要由基于PXI/PXI-E的基礎(chǔ)測量單元和射頻微波合成儀器為核心儀器系統(tǒng)，對外接口包括公共測試接口和專用測試接口兩類。PATS和IATS均可通過公共測試接口配合智能TPS完成與被測對象信息互通和綜合測試功能。測試診斷數(shù)據(jù)基于ATML并可在各級設(shè)備之間完成信息共享和移植。

圖3 新一代自動測試系統(tǒng)設(shè)備體系

研制新型PMA、PATS和IATS系統(tǒng)平臺與裝備機內(nèi)測試設(shè)備(built-in test equipment, BITE)和各類傳感器共同構(gòu)建了艦船裝備綜合測試設(shè)備體系，如圖4所示。其中，PMA設(shè)備基于平板電腦，綜合集成了一體化多功能微型儀器主板、多點觸控儀器操作、基于ICD數(shù)據(jù)庫的裝備BIT信息解析等關(guān)鍵技術(shù)，具有體積小、重量輕易于便攜等特點，適用于裝備原位測試。

圖4 基于設(shè)備體系視圖的自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

PATS設(shè)備基于PXI/PXI-E混合總線，具有主控型、模擬儀表型、數(shù)字總線型、數(shù)據(jù)采集型、射頻型等多個系列，可以靈活拼裝構(gòu)型組成不同規(guī)模的測試系統(tǒng)，主要用于裝備原位和中繼級測試維修，即可和PMA組合使用增強原位測試能力，又可獨立作為前端設(shè)備完成前端狹小空間的長時間遠(yuǎn)距離分布式數(shù)據(jù)采集。

IATS設(shè)備綜合集成了可變規(guī)模公共測試接口CTI、合成儀器SI、基于ATML的分布式軟件平臺、基于高速信息交換架構(gòu)的基礎(chǔ)測量平臺、智能TPS等系列關(guān)鍵技術(shù)，具備新一代綜合測試系統(tǒng)技術(shù)特點，適用于艦船裝備艦基測試維修，并可擴展應(yīng)用至裝備基地級維修。

2.4 基于應(yīng)用視圖的新一代綜合自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

針對艦船裝備實際應(yīng)用需求，綜合測試系統(tǒng)平臺應(yīng)是開放式和根據(jù)實際資源需求可重構(gòu)的系統(tǒng)，并且支持系統(tǒng)平臺的快速裁減或擴充重構(gòu)，如圖5所示。體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用將基于開放式體系架構(gòu)的設(shè)備體系重構(gòu)、儀器資源重構(gòu)軟件定義測量重構(gòu)和智能TPS應(yīng)用重構(gòu)等4個方面解決艦船裝備綜合測試系統(tǒng)重構(gòu)問題。系統(tǒng)可基于應(yīng)用場景重構(gòu)成分布式、網(wǎng)絡(luò)化、集中式等多種形態(tài)，主要通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)設(shè)備間的信息通信以及在機械連接方面保留電氣連接接口來實現(xiàn)；儀器資源可通過基于合成儀器技術(shù)進行硬件資源重構(gòu)以及通過資源復(fù)用模式來改變接口信號規(guī)模；智能TPS技術(shù)可用于屏蔽由于硬件測試資源功能重構(gòu)、系統(tǒng)擴充或形態(tài)改變后造成的硬件差異。

圖5 自動測試系統(tǒng)設(shè)備體系應(yīng)用原理框圖

3 新一代綜合自動測試系統(tǒng)在某型船用雷達中的應(yīng)用

3.1 船用雷達測試保障需求

3.1.1 船用雷達維修保障現(xiàn)狀與不足

隨著近年我海軍轉(zhuǎn)型建設(shè)的深入發(fā)展，高新裝備不斷列裝，大量新建艦艇入列，由近海向遠(yuǎn)海發(fā)展，艦隊出航時間長，以往依靠短期靠岸維修已不能滿足要求,相應(yīng)的保障面臨著一系列的新需求[5]。以某型船用搜索雷達為例，雷達交付部隊后，隨部隊訓(xùn)練、軍事演習(xí)的頻度提高，遠(yuǎn)洋航行的距離變遠(yuǎn)，出海時間不斷增長，裝備的現(xiàn)有保障狀態(tài)存在以下不足：

1)艦員級維修水平不高：隨裝備性能和復(fù)雜程度的不斷提高，維護與維修難度也在不斷加大。但艦上操作空間有限、制約了現(xiàn)場的檢測與修理排故工作，定位故障耗時較長，且依賴船員本身水平。

2)BIT自動檢測能力有限：雖然船用雷達裝備內(nèi)部設(shè)計有機內(nèi)測試功能(BIT)，但往往只能故障發(fā)生后告警，無法提前預(yù)知將故障消滅在發(fā)生前；同時BIT虛警率較高，缺乏故障復(fù)現(xiàn)手段，故障定位能力較弱[6]。

3)艦上測試手段受限制：由于受限于成本、艦上空間等因素的限制，艦員級檢測手段缺乏。如需要進行全面測試，往往需要多種檢測儀表共同工作，而這些儀表大多為試驗室環(huán)境設(shè)計：體積大、價格高、使用復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性差，難以滿足艦用條件的要求。

3.1.2 某型船用雷達綜合測試需求

本文以某型軍貿(mào)裝備為例，該裝備在研發(fā)、生產(chǎn)、交付和保障階段的綜合測試需求包括：

1)生產(chǎn)階段的總裝、總調(diào)測試與試驗，含整機功能/性能測試，主要包括整機對外接口測試(網(wǎng)絡(luò)接口、模擬接口、時統(tǒng)接口、視頻接口等)、基本技術(shù)指標(biāo)測試(工作頻段及帶寬、天線轉(zhuǎn)速、天饋線參數(shù)、噪聲系數(shù)、動目標(biāo)改善因子和發(fā)射機功率等參數(shù))和內(nèi)場功能測試(中頻回路功能、錄取回放功能)等；

2)交付部隊之后，隨艦保障所需的原位監(jiān)測與評估，主要包括搜索雷達工作狀態(tài)監(jiān)測和BIT信息監(jiān)測上報功能測試等[7]；

3)所需修理的典型故障LRU的離線測試，如中頻接收機主要包括：噪聲系數(shù)測試、接收前端動態(tài)范圍測試、帶寬測試和MGC控制等。

3.2 基于新一代自動測試系統(tǒng)的測試保障方案

3.2.1 某型雷達整機檢測解決方案

圖6為某型搜索雷達整機驗證試驗系統(tǒng)組成框圖。該驗證系統(tǒng)由雷達裝備(UUT)、艦船裝備綜合測試系統(tǒng)軟硬件平臺、雷達測試專用測試設(shè)備(中頻信號錄取回放等)、試驗用TPS和雷達狀態(tài)監(jiān)測及BIT信息解析軟件模塊等組成。

圖6 雷達整機測試驗證試驗組成框圖

本驗證方案針對某型船用雷達研制和使用維護等階段實際測試保障需求，指出現(xiàn)有測試保障亟待解決的問題，提出基于新一代綜合自動測試系統(tǒng)的驗證試驗方案，明確了包含艦網(wǎng)接口、噪聲系數(shù)、工作頻率、帶寬、功率等測試項目/參數(shù)，分析確認(rèn)了每個項目/參數(shù)的測試方法、步驟和結(jié)果判據(jù)。驗證系統(tǒng)可開展的試驗包含搜索雷達整機原位BIT解析與狀態(tài)監(jiān)測，內(nèi)場整機對外接口測試、雷達內(nèi)場基本技術(shù)指標(biāo)測試等[8]。

3.2.2 增強型原位檢測解決方案

雷達增強型原位測試包含，雷達工作環(huán)境監(jiān)測和運行狀態(tài)檢測評估。解決方案如圖7所示，針對雷達原位測試需求，在雷達狀態(tài)監(jiān)測端由便攜式輔助設(shè)備PMA設(shè)備和便攜式測試系統(tǒng)PATS配合完成雷達原位測試中傳感器非電量信號采集和雷達BIT信息下載、解析。增強型原位測試中，傳感器布置在冷卻機柜及雷達天線平臺。主要監(jiān)測項目為：外循環(huán)水溫度、供水進出口壓力、流量等，海水過濾堵塞，氣象參數(shù)、桅桿姿態(tài)和天線平臺振動、傾角等參數(shù)。雷達工作運行狀態(tài)及當(dāng)前氣象參數(shù)均以BIT信息格式由PMA通過網(wǎng)絡(luò)從雷達BIT網(wǎng)絡(luò)報文接口下載。

圖7 船用雷達增強型原位檢測系統(tǒng)架構(gòu)框圖

所有信號在數(shù)據(jù)采集端設(shè)備中匯集，作前端處理后由組網(wǎng)模塊通過以太網(wǎng)發(fā)送到IATS服務(wù)器端。同時將雷達環(huán)境監(jiān)測狀態(tài)信息發(fā)送到原位測試PMA設(shè)備，結(jié)合雷達整機BIT信息進行狀態(tài)監(jiān)控與故障推理診斷。IATS服務(wù)器端同時通過網(wǎng)絡(luò)收集設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)數(shù)據(jù)進行匯總處理。另外，雷達關(guān)鍵參數(shù)信息或故障預(yù)警信息可以通過無線傳輸?shù)姆绞?，發(fā)送到手持式設(shè)備IPAD上，方便艦員遠(yuǎn)程實時監(jiān)控雷達狀態(tài)。

3.3 船用雷達綜合測試結(jié)果及部分關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1基于合成儀器的微波參數(shù)測試技術(shù)

合成儀器分系統(tǒng)基于軟件無線電和射頻綜合技術(shù)，將頻譜分析儀、矢量微波信號源、矢量信號分析儀、噪聲系數(shù)分析儀等臺式射頻微波儀器以通用模塊化儀器來實現(xiàn)[9]，總體架構(gòu)如圖8所示。

合成儀器分系統(tǒng)集成高性能基帶信號發(fā)生器、數(shù)字化儀、高性能本振、上下變頻器、微波開關(guān)及功率調(diào)節(jié)等系列模塊，可以合成頻譜分析、矢量信號分析、矢量信號源、噪聲系數(shù)分析等儀器功能，信號分析頻率范圍1 MHz～18 GHz，信號源頻率范圍1 MHz～18 GHz，并分段設(shè)計，可靈活組合成不同波段、不同體積規(guī)模的儀器。并可通過微波組合開關(guān)進行通道擴展。

合成儀器從功能上可以替代體積較大、價格昂貴的頻譜分析儀、微波信號源和噪聲系數(shù)分析儀等臺式儀器[10]，實現(xiàn)了船用雷達工作頻段及帶寬、發(fā)射機功率、接收機噪聲系數(shù)等十余項微波參數(shù)測試功能[11-12]。

以接收機噪聲系數(shù)測試為例，根據(jù)與是德科技臺式儀器N8975A測試結(jié)果相對比，如表1所示，噪聲系數(shù)偏差在0.4 dB以內(nèi)，增益偏差在-1.5 dB以內(nèi)，滿足使用要求[11]。

3.3.2 基于信息融合的增強型原位檢測與故障診斷技術(shù)

某型船用雷達增強型原位檢測試驗，針對雷達BIT測試覆蓋能力不足(如缺少機械、機電部分)的問題，新增了傳感器和機械/機電數(shù)據(jù)分析功能，用于雷達內(nèi)外部工作環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測[13]，并在PMA上實現(xiàn)與BIT的融合和基于交互式電子技術(shù)手冊(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)的推理診斷。工作原理如圖9所示，PMA和PATS配合完成雷達原位測試中傳感器非電量信號采集及雷達BIT信息下載、解析。可實現(xiàn)機內(nèi)測試與外部傳感器狀態(tài)監(jiān)測相結(jié)合的系統(tǒng)級故障診斷，BIT數(shù)據(jù)與地面測試相融合以及分布式傳感器環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。

表1 噪聲系數(shù)測量結(jié)果對比節(jié)選

圖9 某型船用雷達增強型原位檢測工作原理圖

原位測試中傳感器布置在冷卻機柜及雷達天線平臺，主要環(huán)境監(jiān)測項目為：外循環(huán)水參數(shù)、氣象參數(shù)、桅桿參數(shù)和天線平臺等參數(shù)，該類參數(shù)經(jīng)過前端數(shù)據(jù)采集變換存儲并經(jīng)過規(guī)則運算后，將非電量狀態(tài)參數(shù)通過報文發(fā)送到。圖10為內(nèi)外部環(huán)境裝備監(jiān)測評估服務(wù)器端軟件界面示意。狀態(tài)監(jiān)測PMA設(shè)備監(jiān)測雷達相關(guān)狀態(tài)，并向綜合測試系統(tǒng)上報整機工作狀態(tài)和BIT信息，并根據(jù)BIT故障信息，分析給出故障定位。

以發(fā)射機柜信息融合診斷為例，解析結(jié)果顯示試驗中水冷機柜整體報故。為進一步隔離故障，在軟件中點擊上述途中故障信息將自動打開交互式電子手冊，基于故障樹信息融合進行故障隔離，并給出維修輔助決策。圖11為IETM執(zhí)行故障隔離的過程及結(jié)果，從圖中結(jié)果可看出軟件可對雷達BIT信息進行故障隔離，準(zhǔn)確進行故障定位。

圖11 基于BIT和環(huán)境信息融合的發(fā)射機柜交互式故障診斷案例圖

4 結(jié)束語

本文通過分析船用雷達測試保障需求，給出了船用雷達綜合測試系統(tǒng)解決方案。提出并構(gòu)建了基于傳感器、BITE、PMA、PATS和IATS的艦船裝備綜合測試系統(tǒng)設(shè)備體系模型和基于ATML軟件、PXI-E儀器、SI(合成儀器)、CTI(公共測試接口)、智能TPS等新一代測試技術(shù)要素的技術(shù)體系模型。

經(jīng)分析評估，新一代綜合自動測試系統(tǒng)設(shè)備體系可以滿足船用雷達裝備研制、試驗和使用維護階段測試保障應(yīng)用，對提升其壽命周期內(nèi)的測試保障效率和效能具有重要支撐作用?？商嵘灤b備縱向測試集成和橫向跨平臺測試能力，并可拓展應(yīng)用于其他新型武器裝備，可為通用測試技術(shù)研究成果的推廣應(yīng)用起到有效的示范作用。